（电磁场与微波技术专业论文）基于ieee+802154zigbee协议的井下定位系统设计.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 白 e 北京邮电大学硕士学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：互啦日期： 二- io 3 - ，厂 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：二圈垒扛 导师签名： 蛮骄 日期：三! ! 皇：墨! ! 只期劲f0 3 、fr 日期：竺! ! 三! 旦 北京邮电大学硕士学位论文 ， z 户， 罄 北京邮电大学硕士学位论文 基于i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议的井下定位系统设计 摘要 目前，国家对煤矿安全生产的重视程度己提升到前所未有的高 度，但是矿难还在不断发生，而灾难发生后抢险救灾的不力暴露出目 前监控系统的弊端：监控系统对入井人员管理困难，井上人员难以及 时掌握井下人员的动态分布及作业情况。 本文从网络构成、协议栈等角度深入研究了i e e e8 0 2 1 5 4 协议和 z i g b e e 无线通信技术，将z i g b e e 技术与几种无线传输技术进行比较总 结出t z i g b e e 技术优势。随后对目前的主流井下人员定位系统( 包括 基于r f i d 的井下定位系统和基于z i g b e e 技术的井下定位系统) 进行 介绍和比较，得出 z i g b e e 技术应用于井下人员定位系统具有低成 本、安全可靠、低功耗等多种优势。在此基础上，设计了基于i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议的井下定位系统总体方案。本系统采用z i g b e e 无 线网络与c a n 总线结合的方式构建数据通信平台，将井下工作人员的 定位数据和瓦斯浓度等信息传输到井上控制中心。 本文介绍了基于i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议的井下定位系统功能 和结构。详细阐述了系统硬件设备的电路设计，包括基于 c c 2 4 3 0 c c 2 4 31 的节点、网关节点和c a n 总线模块；介绍了系统设备 软件设计，并展示了简单的演示系统以检验定位效果。本文中的 z i g b e e 网络开发是基于t i 的z i g b e e 协议栈z s t a c k 和i a re m b e d d e d w o r k b e n c h 集成开发环境。 最后，对本课题未来的发展方向，z i g b e e 技术在其他领域的应用 以及课题下一步开展的工作做了展望。 关键词：z i g b e e 井下定位c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 1c a n 总线 北京邮电大学硕士学位论文 ， 囊 矿 t k 瓠 乞 ， 北京邮电大学硕士学位论文 d e s i g no fu n d e r g ro u n d 闷ep o s i t i o n i n g s y s t e mb a s e do ni e e e8 0 2 15 4 z i g b e e a b s t r a c t m i n i n gs a f e t yi sg e t t i n gm o r ei m p o r t a n ti nc h i n an o w b u tt h em i n i n gd i s a s t e r h a p p e n e do v o ra n do v e r ，d e a l i n g 、析mt h ee m e r g e n c yd o e s n tw o r kw e l ld u et o a b s e n c eo fm i n i n gp e r s o np o s i t i o n c u r r e n tm o n i t o rs y s t e mh a sn od y n a m i c d i s t r i b u t i n gi n f o r m a t i o no f m i n i n gp e r s o n t h i sp a p e ri n d e p t hs t u d i e su p o ni e e e 8 0 2 15 4p r o t o c o la n dz i g b e ew i r e l e s s n e t w o r kt e c h n o l o g yf r o mt h ea s p e c t so fn e t w o r k i n ga n dp r o t o c o ls t a c k t h ea d v a n t a g e o fz i g b e ew h i c hc o n t a i n sl o w - c o s t ，s e c u r i t ya n dl o w - p o w e rc a nb eo b t a i n e d c o m p a r e dw i t ho t h e rt e c h n o l o g i e s t h e n t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eu n d e r g r o u n d p e r s o n a lp o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e ea n dr f i dt e c h n o l o g i e s ，w h i c ha r et h e t w om a i n s t r e a ms y s t e m s i tc a nb es e e nd e a r l yt h a tz i g b e ei sm o r ea p p l i c a b l e o n t h i sb a s i s ，t h e s y s t e md e s i g n e d t h e c o m p r e h e n s i v ep o s i t i o n i n gs y s t e m o f i e e e 8 0 2 15 4a n dz i g b e ep r o t o c 0 1 t h ed a t ac o m m u n i c a t i o np l a t f o r m ，t r a n s m i t t i n g t h ed a t ao fp o s i t i o n i n ga n dg a sc o n c e n t r a t i o nt ot h es u r f a c ec o n t r o l l i n gc e n t e r , i sb u i l t b yt h ec o m b i n a t i o n o fz i g b e ew i r e l e s sn e t w o r ks y s t e ma n dc a nb u s t h i st h e s i si n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h eu n d e r g r o u n dp o s i t i o n i n g s y s t e mb a s e do i lt h ei e e e8 0 2 15 4 z i g b e ep r o t o c 0 1 t h ep a p e rp r e s e n t st h ee l e c t r i c a l c i r c u i t s d e s i g n i n g o ft h eh a r d w a r ed e v i c e sf o rt h es y s t e m ，w h i c hi n c l u d e s c c 2 4 3 0 c c 2 4 31n o d e s ，g a t e w a yn o d e sa n dc a nb u sm o d u l e s ，a n da l s ot e s t st h e r e l i a b i l i t yo fp o s i t i o n i n gb yas i m p l ed e m o n s t r a t i n gs y s t e m t h ec o n s t r u c t i o no ft h e 北京邮电大学硕士学位论文 z i g b e en e t w o r ki s f u l f i l l e dw i t ht h ea s s i s t a n c eo fz s t a c ka n di a re m b e d d e d w o r k b e n c he n v i r o n m e n t i nt h ee n do ft h et h e s i s ，ap r e d i c t i o no ft h ef u t u r er e s e a r c hs u b j e c t si ss h o w n ；t h e o p t i m i z a t i o no ft h ep o s i t i o n i n gs y s t e ma n dt h el a t e n ta p p l i c a t i o no ft h ez i g b e e t e c h n o l o g yi no t h e ra r e a sa r ea l s od e m o n s t r a t e d k e y w o r d s ：z i g b e e ，u n d e r g r o u n dm i n e ，p o s i t i o n i n g ，c c 2 4 3 0 c c 2 4 31 ，c a nb u s ， p 0 ， 厶 6 。 北京邮电大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 井下定位系统的研究与发展现状1 1 3 本文的组织结构和主要研究内容3 第二章z i g b e e 无线通信技术概论4 2 1 z i g b e e 技术介绍4 2 2 z i g b e e 网络构成5 2 2 1 星状网络拓扑5 2 2 2 对等网络拓扑6 2 3 z i g a e e 协议栈结构7 2 3 1 i e e e8 0 2 1 5 4 物理层p h y 7 2 3 2m 髓8 0 2 15 4m a c 层8 2 3 3 z i g a e e 网络层1 0 2 3 4z i g l 3 e e 应用层1 l 2 4 z i g a e e 技术特点。1 2 2 5 几种无线传输技术及其比较1 2 2 5 1 蓝牙( b l u e t o o t h ) 1 2 2 5 2w i f i ( m e e8 0 2 11 ) 13 2 5 3h d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 1 3 2 5 4g p r s g s m 。1 3 2 5 5 z i g b e e 1 4 2 6 本章小结1 4 第三章定位技术1 5 3 1 定位技术介绍1 5 3 1 1基本概念15 3 1 2 计算节点位置的方法1 5 3 1 3 定位算法分类1 8 3 2 基于距离的定位算法1 8 3 2 1 基于t c ) a 的定位l8 3 2 2 基于t d o a 的定位1 9 3 2 3 基于a o a 的定位。2 0 3 2 4 基于r s s i 的定位。2 0 3 3 距离无关的定位算法2 0 3 4 本章小结2 l 第四章矿井人员定位系统发展概述2 2 4 1 矿井人员定位系统概况2 2 4 2 有源r f i d 卡系统2 3 4 2 1r f i d 发展现状2 3 北京邮电大学硕士学位论文 4 2 2r f d 系统组成。2 4 4 3 z i g b e e 系统2 5 4 4 z i g a e e 与r f i d 在井下人员跟踪定位应用中的比较一2 6 4 5 本章小结2 7 第五章基于z i g b e e 协议的井下定位系统设计。2 8 5 1 系统概述。2 8 5 1 1 井下电磁波传播特性2 9 5 1 2 系统结构3 0 5 1 3小结3 2 5 2 系统硬件设计3 2 5 2 1芯片选型3 3 5 2 2c c 2 4 3 0 c c 2 4 31 介绍3 4 5 2 3 节点硬件设计：3 7 5 2 4c a n 总线硬件设计3 9 5 2 5 小结4 0 5 3 系统软件设计4 0 5 3 1i a r 开发环境4 0 5 3 2z i g b e e 节点应用软件设计4 l 5 3 3 c a n 总线模块软件设计4 6 5 3 4 控制中心软件设计4 6 5 3 5 演示系统4 7 5 3 6 小结。4 8 第六章z i g b e e 井下人员定位系统发展前景4 9 6 i工作总结4 9 6 1 1z i g b e e 井下人员定位系统4 9 6 1 2 z i g b e e 技术其他应用4 9 6 2 工作展望5 0 参考文献5 1 致 射。5 3 论文发表情况5 4 矿 和 厶 p b 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 煤炭是我国的重要能源。在未来2 0 年内，我国每年的煤炭消耗量仍占一次 能源构成的5 0 以上，煤炭生产在国民经济发展中具有举足轻重的地位。 然而，我国煤矿基本上都在地下，且大部分矿井已进入深水平开采，水大、 瓦斯浓度高已成为普遍现象，安全问题特别突出，矿难事故频发。 矿难事故与我国建设社会主义和谐社会的政治大背景极不协调，与以人为本 的科学发展观不相符合，与党的执政目标背道而驰。安全不仅是煤炭生产的头等 大事，也是党和政府各级领导关心及广大群众关注的头等大事，既对煤炭生产起 着保证、支撑和推动作用，更对社会稳定起到重要保障作用。 党和政府对煤矿安全非常重视，早在2 0 0 5 年，温家宝总理就在政府工作 报告中指出：“国务院决定今年安排3 0 亿元建设资金，支持国有煤矿安全技术 改造，地方和企业也要增加安全生产投入 。在国家安全生产监督管理总局 国家煤矿安全监察局发布的国家安全生产科技发展规划一一煤矿领域研究报 告中也特别指出：“井下无线通讯、井下人员的跟踪管理、遇险人员定位等技 术装备是急需开展攻关研究并产业化的 ，国家安监总局还打算用三年时间，采 取从每吨煤提取2 , - - , 1 0 元和安排国债来解决煤矿安全治理经费问题，充分显示了 党和国家领导及相关部门对煤矿安全的高度重视及开发煤矿安全项目的紧迫性。 本文旨在开发新型矿井人员定位管理系统，就可对煤矿入井人员进行实时跟 踪监测和定位，随时详细掌握每个人员在井下的位置及活动轨迹。如果发生灾变， 还可立即从监控计算机上查询事故现场的人员位置分布情况、被困人员数量、遇 险人员撤退线路等信息，为事故抢险提供科学依据。 1 2 井下定位系统的研究与发展现状 早期的煤矿安全监控系统大多采用模拟技术，其组成主要有传感器、载波机、 断电仪、传输线、解调器、计算机、调度显示盘等。而这些煤矿安全监控系统存 在精度低、纠错能力弱、抗干扰能力差等不足。尽管我国在8 0 年代初，分别从 波兰、法国、德国、英国和美国等引进了一批安全监控系统，如d a n 6 4 0 0 、m i n o s 、 t f 2 0 0 0 和s e n t u r i o n 2 0 0 ，并结合我国煤矿实际研制出了系列井下监控系统， 但这些系统均未能有效解决人员定位和瓦斯报警等问题。 北京邮电大学硕士学位论文 1 、矿井人员定位对于煤矿安全生产非常重要。由于煤矿位于地下，各种不 可预测的突发事件如冒顶，渗水，瓦斯气体浓度超标等，都给井下工作人员的生 命安全带来了极大的威胁，这始终是煤矿建设过程中亟待解决的问题。尽管近年 来科学技术迅猛发展，由于矿井下电磁传播环境十分复杂，至今仍然没有一种解 决井下通信的成熟技术。目前国内所使用的射频卡r f i d 和s u p c r r f i d 跟踪系统 都是在矿井进口处或井下一些关键通道口，使用射频卡r f i d 或s u p e r r f i d 读取 ( 刷卡) 对井下过往人员实施跟踪。虽然s u p e r r f i d 较r f i d 读取距离远些，但 两个系统读取距离均很有限，且频率均较低，抗干扰能力差，读写速度慢，不能 同时处理多人通过。这两种系统实际上都不是真正意义上的井下人员定位跟踪系 统，无法实时地报告井下人员的具体位置，只能作为井下人员的考勤管理系统。 2 、瓦斯灾害是煤矿矿工安全的“第一杀手”。及时准确的瓦斯报警是防止瓦 斯灾害的关键，目前国内外一般都采取在矿井中放置几个固定瓦斯报警器报警的 方法，但这种方法只能在离报警器较近的范围内起到预警作用，具有非常明显的 局限性。 目前，由于难以及时准确实施人员定位和瓦斯报警，在事故发生前，煤矿安 全生产监控中心不能随时掌握井下不同位置各种安全生产要素( 包括瓦斯浓度、 温度、风速风压、人员作业分情况等) 的准确情况，难以及时采取积极有效的预 防措施；事故发生后，不能掌握井下人员动态和精确位置，无法实施及时有效的 救援。 井下人员定位系统属于煤矿综合监控系统的一部分，国外研制矿井监控系统 始于2 0 世纪6 0 年代，我国起步较晚，约始于2 0 世纪8 0 年代后期。随技术进步， 以及产品性价比进一步提高，使得监控系统在我国的应用广泛。为了加快实现煤 炭工业现代化管理的步伐和避免事故的发生，我国先国外引进了数十套监控系 统，这些系统在我国煤炭行业中发挥了一些重要用，也为我国研制综合煤矿监控 系统提供了很好借鉴。上述系统均是综合测系统，但其都侧重安全参数的检测和 控制。同时，这些系统存在如下问题： ( 1 ) 性价比过低，系统价格过高，一般矿井难以承受。 ( 2 ) 监控主机的系统软件在文档处理上不够人性化。 ( 3 ) 由于采用的是国外技术，技术服务支持存在困难。 ( 4 ) 近年来技术进步较快，部分技术已经不具备先进性。 由于近年煤矿事故频繁，煤矿安检力度不够，事故发生后对事故现场工作人 员救助缺乏足够的信息，造成了不必要的伤亡。矿井下人员定位系对整个监控系 统的进一步完善。目前国内外己有类似产品，如澳大利亚约芬雷工程技术有限公 司的k j 2 0 1 a 井下人员定位系统，美国安菲斯科技发展公司与澳大利亚矿山技术 2 争 i p 弋 k o ， 吐 北京邮电大学硕士学位论文 公司的m s 系统，和国内北京神州鼎天数码信息科技有限公司的k j z 3 6 矿井人 员定位考勤系统、中矿华沃电子科技有限公司的k j 2 8 0 井下人员定位系统和上 海秀派电子科技有限公司的井下定位系统。国外的这些系统都还不够完善，而且 造价太高，性能还有待于进一步考证，同时国内的系统是处于研发试用阶段，没 有统一标准，功能有待于进一步扩展。就目前的煤矿企业急需投入成本低、易安 装维护、和性能好且人性化的井下定位系 1 3 本文的组织结构和主要研究内容 本文共分为六个章节，内容安排如下： 第一章：绪论，阐述了论文的研究背景，分析了井下定位系统在矿山安全生 产中的重要性和其发展现状。 第二章：概要介绍了i e e e8 0 2 1 5 4 协议和z i g b e e 无线通信技术，包括z i g b e e 发展，z i g b e e 网络的构成，协议栈结构和技术特点等。在此基础上，对几种无 线传输技术进行比较，总结出z i g b e e 技术的优势所在。 第三章：主要对定位技术进行介绍，包括定位的概念，分类以及相关的算法。 第四章：概述了矿井定位系统发展过程，并对主流的定位系统进行了全面的 比较。 第五章：本章为论文重点，基于i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的井下定位系统硬件 和软件的详细设计。 第六章对本课题进行总结并展望下一步需进行的研究工作。 3 北京邮电大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 无线通信技术概论 2 1 z i g b e e 技术介绍 工业领域在现代化的进程中通过引入各种先进技术，实现了劳动生产率的提 高和生产成本的下降。在这些技术中，最典型的就是数字化技术和现代通信技术。 在现代工业数字化的基础上，工业生产监控早已突破了单回路控制与监视的功 能。随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断发 展，对数据接口的开放性、数据传输的实时性、数据连接的安全性等方面提出了 更高的要求。许多大型企业其生产地域分散，业务分工复杂，往往设有一个或者 多个控制中心，以及大量的现场数据采集点。这些采集点因分散而需要通过一定 的通信手段来实现与中心控制单元间的数据交互，进而实现生产过程的自动化。 由于传统有线网络本身的局限性，许多特殊环境下的网络覆盖和网络支持仍然是 个难题。比如在某些工业现场，一些工业环境禁止或限制使用电缆，而在其他一 些工业环境要求完全把电缆屏蔽起来以高度防止来自大多数工业设施中的机器 或其他无线电控制设备的干扰，更有一些高速旋转的设备根本无法通过电缆来传 输数据信息。而无线广域网、无线局域网和无个人网技术却能有效地提供对这些 问题的解决方案。在现有的无线网络技术发展条件下，无线标准增加了灵活性， 并降低了集成专利无线通信的风险。在工控场合的应用条件下，短距离的无线传 输尤其受到瞩目。在最近的几年中，人们不断探索，形成了当今令人眼花缭乱的 无线通信协议和产品。最流行的短距离无线数据通信的标准有蓝牙( b l u e t o o t h ) 、 w i f i( i e e e8 0 2 11 ) 、i r d a 以及极具发展潜力、已被众多业界认可的z i g b e e ( i e e e8 0 2 1 5 4 ) 等。 z i g b e e 是最新确定的商业名称，在以前曾被发起者以“h o m e r fl i t e ”、 “f i r e f l y 和“r f e a s y l i n k ”等命名。为了满足类似于传感器的小型、低成本 设备无线联网的要求，2 0 0 0 年1 2 月i e e e 成立了i e e e8 0 2 1 5 4 工作组，致力于 定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用，且复杂度、成本和功耗均很低的 低速率无线连接技术。 z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月。到目前为止，除了i n v e n s y s 、三菱电子、 摩托罗拉、三星和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有百余家成员企 业，并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、口服务提供商、消费类电 子厂商及o e m 商等，例如h o n e y w e l l 、e a t o n 和i n v c n s y sm e t e r i n gs y s t e m s 等工 4 l 一 和 瓤 1 1 1 - , k k 北京邮电大学硕士学位论文 业控制和家用自动化公司，甚至还有像m a t t e l 之类的玩具公司。所有这些公司 都参加了负责开发z i g b e e 物理和媒体控制层技术标准的i e e e8 0 2 1 5 4 工作组。 在工业、农业、车载电子系统、家用网络、医疗传感器和伺服执行机构等领域， 对于无线网络的要求与民用场合有很大区别。它通常对数据吞吐量的要求很低， 功率消耗要低。此外，简单方便、可以随意使用的无线装置大量涌现，需要布置 大量的无线接入点，而低廉的价格将起着关键作用。所以z i g b e e 标准要解决的 问题是设计一个维持最小流量的通信链路和低复杂度的无线收发信机。要考虑的 核心问题是低功耗和低价格的设计，这就要求该标准应提供低带宽、低数据传输 率的应用。 2 2 z i g b e e 网络构成 z i g b e e 网络层支持三种网络拓扑结构【l l ，分别为：星状网络拓扑、树状网络 拓扑以及网状网络拓扑结构。在星状网络中，网络主要由z i g b e e 协调器控制， 它主要负责网络中设备的初始化和维护工作。星状网中的其他设备叫做终端设 备，直接和协调器进行通信。在树状和网状网络中，z i g b e e 协调器主要负责形 成网络和选择网络主要参数，然后通过路由节点扩张网络。在树状网络中，路由 节点使用等级路由机制进行数据的传输和控制信息，树状网络可以使用信标使能 的通信。网状网络允许全对等通信，但是网状网络中的路由节点发送的不是标准 信标帧。 但是从功能上主要分为星状网络拓扑结构和对等网络拓扑结构两种类型。其 中树状网络和网状网络同属于对等网络拓扑结构。下面分别对这两种网络拓扑结 构进行介绍。 在介绍具体网络拓扑结构之前先介绍两个概念：全功能设备( f u l lf u n c t i o n d e v i c e ，f f d ) 和精简功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。f f d 的特点有： 支持任何网络拓扑结构、可以成为网络协调器或路由器、可以充当网络中的任何 设备以及能和任何设备通信；r f d 的特点有：不能成为网络协调器、不能有子 节点、只能和自己的父节点通信。 p 睁2 2 1 星状网络拓扑 一 星状网络拓扑结构如图2 1 所示。星状拓扑网络结构由个域网( p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ，p a n ) 主协调器的中央控制器和多个从设备组成，其中主协调器必须为 f f d 设备，从设备既可为f f d 设备也可为r f d 设备。 5 北京邮电大学硕士学位论文 of f d r f d 图2 - l星状网络拓扑结构图 星状网络拓扑结构的形成：首先选择一个具有全功能的设备( f f d ) 作为网 络的p a n 主协调器，然后由它来建立一个新的网络，并确定该网络的唯一的一 个p a n 标识符，即p a ni d 号。每个星状网络中只有唯一的一个p a n 主协调器， 所以每个星型网络的通信都是独立于当前其他星型网络的，因此应该选择一个新 的p a nd 号以确保网络的唯一性，这种特点是z i g b e e 技术所特有的。当协调 器建立了新的网络以后，其他从设备就可以加入到这个网络之中，作为这个星状 网络的子节点。其中，从设备可以是f f d 设备，也可以是r f d 设备。 目前，星状网络拓扑结构以其结构简单、实现起来比较容易等特点而被大量 应用在远程监测和控制中。星状网络结构的简单主要体现在仅需要执行很少的上 层协议、对路由功能的控制相对容易，而且方便管理。大部分管理工作都是由 p a n 协调器来完成的。但是由于其只能实现简单的网络，所以在大规模组网的 场合里便无法应用，而且如果通信中某个节点的断开，便会对其他节点的通信造 成影响，一定程度上限制了无线网络的覆盖范围，同时星状网络拓扑结构也很难 实现高密度的扩展。 2 2 2 对等网络拓扑 z i g b e e 网络中的树状网络拓扑和网状网络拓扑两种结构同属于对等网络拓 扑形式，其中树状网络拓扑结构如图2 2 所示，其中协调器和路由器都是f f d 设备，终端设备为r f d 。终端设备节点只能与自己的父节点进行通信，从属于 不同父节点的子节点之间不能进行通信。 终端设备 。路由器 协调器 图2 - 2 树状网络拓扑结构图 网状网络拓扑结构如图2 3 所示，网状拓扑网络中的所有节点都是f f d 设 备。节点问是完全对等的通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其他节 6 0 p 争 f ” 卜 _ 。 图2 3网状网络拓扑结构图 其中树状网络中任何一个节点的故障都会使与其相连的子节点部分脱离网 络。如果在稳定的无线电射频环境中，需要有一定的网络覆盖范围，而且网络有 一定的稳定性和扩展性，那么树状网络拓扑将是一个很好的选择。 2 3 z i g b e e 协议栈结构 z i g b e e 协议栈的体系结构如图2 - 4 所示。它虽然是基于标准的7 层开放式系 统互联( o s i ) 模型，但仅对涉及z i g b e e 的层予以定义。i e e e8 0 2 1 5 4 标准定 义了最下面的两层：物理层( p h y ) 和介质接入控制子层( m a c ) 。z i g b e e 联盟 提供了网络层和应用层( a p l ) 框架的设计。其中，应用层的框架包括了应用支 持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 及由制造商制定的应用对象。 z i g b e 圮应用层 翻 沓 z i g b e e 网络层 吐) q b d 寸l 闷 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层 i n f 、| o o o i e e e8 0 2 1 5 4i e e e8 0 2 1 5 4 幽 8 6 8 915 m h zp h y 层2 4 g h zp h y 层 衄 、 r 图2 - 4 z i g b e c 体系结构模型 2 3 1i e e e8 0 2 1 5 4 物理层p h y z i g b e e 的通信频率由物理层来规范。z i g b e e 对不同的国家地区提供不同的 工作频率范围。它所使用的频率范围分别为2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m h z 物理 层。两个物理层都基于直接序列扩频( d s s s ) 技术，使用相同的物理层数据包 7 北京邮电大学硕士学位论文 格式，其区别在于工作频率、调制技术、扩频码片和传输速率的不同。 2 4 g i - i z 波段为全球统一，无需申请的i s m 频段，有助于z i g b e e 设备的推 广和生产成本的降低。2 4 g h z 的物理层采用1 6 相调技术，能够提供2 5 0 k b p s 的 传输速率，从而提高了数据吞吐量，减小了通信时延，缩短了数据收发时间，因 此更加省电。 8 6 8 m h z 是欧洲附加的i s m 频段，9 1 5 m h z 是美国附加的i s m 频段。工作 在这两个频段上的z i g b e e 设备避开了来自2 4 g h z 频段中其他无线通信设备和家 用电器的无线电干扰。8 6 8 m h z 上的传输速率为2 0 k b p s ，9 15 m h z 上的传输速率 则为4 0 k b p s 。 在i e e e8 0 2 1 5 4 中，总共分配了2 7 个具有3 种速率的信道：2 4 g h z 频段 有1 6 个速率为2 5 0 k b p s 的信道；9 1 5 m h z 频段有1 0 个速率为4 0 k b p s 的信道； 8 6 8 m h z 频段有1 个速率为2 0 k b p s 的信道。可以根据i s m 频段、可用性、拥挤 状况和数据速率在2 7 个信道中选择1 个工作信道。 z i g b e e 使用的无线信道如表2 - 1 所示，频率和信道如图2 5 所示。 表2 - 1 z i g b e e 无线信道的组成 信道编号中心频率v i h z信道间隔m i - i z频率上限 m z频率下限m a z k = 08 6 8 3m h z8 6 8 68 6 8 0 k = l ，2 ，1 0 9 0 6 + 2 ( k 1 ) 29 2 8 09 0 2 0 k = l l ，1 2 ，2 6 2 4 0 5 + 5 ( k - 1 1 ) 52 4 8 3 52 4 0 0 0 8 6 8m h z 物理层 信道0 上 8 6 8 3 m h z m 呦冁 信道1 1 0胪信道1 _ r _ t - j 山山山山自i 图2 - 5z i g b e e 频率和信道分布 2 3 2 i e e e8 0 2 15 4m a c 层【2 】 i e e e8 0 2 系列标准把数据链路层分成逻辑链路控制子层l l c ( l o g i c a ll i n k c o n t r 0 1 ) 和介质接入控制子层m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 两个子层。l l c 子 层在i e e e8 0 2 2 标准中定义，为i e e e8 0 2 标准所公用的；而m a c 子层协议则 依赖于各自的物理层。 l l c 子层的主要功能是进行数据包的分段和重组，以及确保数据包按顺序 i t - 北京邮电大学硕士学位论文 传输。 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 子层实现包括设备问无线链路的建立、维护与断开，确 认模式的帧传送与接收，信道接入与控制，帧校验与快速自动请求重发( a r q ) ， 预留时隙管理以及广播信息管理等。m a c 子层处理所有物理层无线信道的接入。 主要功能如下： ( 1 ) 网络协调器产生网络新标； ( 2 ) 与信标同步： ( 3 ) 支持个域网( p a n ) 链路的建立和断开； ( 4 ) 为设备的安全提供支持； ( 5 ) 信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入( c s m a c a ) 机制； ( 6 ) 处理和维护保护时隙( g t s ) 机制； ( 7 ) 在两个对等的m a c 实体之间提供一个可靠的通信链路。 图2 - 6 给出了m a c 子层数据包格式。m a c 子层数据包由m a c 子层帧头 ( m h r ：m a ch e a d e r ) 、m a c 子层载荷和m a c 子层帧尾( m f r ：m a cf o o t e r ) 组成。m a c 子层帧头有2 个字节的帧控制域、1 个字节的帧序号域和最多2 0 个 字节的地址域组成。帧控制域指明了m a c 帧的类型、地址域的格式以及是否需 要接收方确认等控制信息；帧序号域包含了发送方对帧的顺序编号，用于匹配确 认帧，实现m a c 子层的可靠传输；地址域采用的寻址方式可以是6 4 位的i e e e m a c 地址，也可以是8 位的z i g b e e 网络地址。 2 字节l 字节o ，2 字节 毗倡字节 0 2 字节0 2 8 字节可变2 字节 序 目的 源 帧控翻列 p a n 目的地址 p a n 源地址帧载荷 f c s 号标识符 标识符 m a c m h r ( m a c 层帧头) m f r 载荷 图2 - 6m a c 层数据包格式 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 子层定义了两种基本的信道接入方式，分别用于两种 z i g b e e 网络拓扑结构中。这两种网络结构分别是基于中心控制的星型网络和基 于对等操作的网状网络。在星型网络中，中心设备承担网络的形成与维护、时隙 的划分、信道接入控制以及专用带宽分配等功能，其余设备根据中心设备的广播 信息来决定如何接入和使用无线信道，这是一种时隙化的载波侦听和冲突避免 c s m a c a ( c a r d e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e ) 信道接入算法。 在对等网状方式的网络中，没有中心设备的控制，也没有广播信道和广播信息， 9 北京邮电大学硕士学位论文 而是使用标准的c s m a c a 信道接入算法接入网络。 2 3 3 z i g b e e 网络层 z i g b e e 网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保z i g b e e 的m a c 层正常工作，并为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供其接口，网络 层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别是数据服务实体和管理服务实体， 如图2 7 所示【3 1 。 图2 - 7 网络层参考模型 网络层数据实体通过网络层数据实体服务接入点( n l d e s a p ) 提供数据传 输服务；网络管理层实体通过网络层管理实体服务接入点( n l m e s a p ) 提供网 络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并 且完成对网络信息库( n i b ) 的维护和管理。 网络层通过m c p s s a p 和m l m e s a p 接口，为m a c 层提供接口，通过 n l d e s a p 与n l m e s a p 接口为应用层提供接口服务。 网络层管理实体提供网络管理服务，允许应用和堆栈相互作用。其所提供的 服务如下： ( 1 ) 配置一个新的设备。 ( 2 ) 初始化一个网络。 ( 3 ) 连接、复位和断开网络。 ( 4 ) 路由发现。 ( 5 ) 邻居设备发现。 ( 6 ) 接收控制。 网络层数据实体为数据提供服务。在两个或多个设备之间传送数据时，它将 按照应用协议数据单元( a p d u ) 的格式进行传送，并且这些设备必须在同一个 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 网络中，即在同一个内部个域网中。网络层数据实体可提供如下服务： ( 1 ) 生成网络层协议数据单元( n p d u ) 。 ( 2 ) 指定拓扑传输路由。 ( 3 ) 安全：确保通信的真实性和机密性。 z i g b e e 网络层帧结构如图2 -